Aplicaţii ale cuplajului parazit inductiv: Sisteme de alimentare inductivă pentru autovehicule electrice, în parcare şi in mers

Transcript

1 Aplicaţii ale cuplajului parazit inductiv: Sisteme de alimentare inductivă pentru autovehicule electrice, în parcare şi in mers A. Introducere Cuplajul inductiv apare între două sau mai multe bucle conductoare parcurse de curenţi. Fluxurile magnetice, produse de curenţii electrici, intersectează şi alte bucle conductoare în care induc tensiuni perturbatoare. -Inductanța proprie unei porțiuni de circuit: Inductanţa L depinde de geometria circuitului şi însuşirile magnetice ale mediului şi are sens numai pentru un circuit închis. - Cuplaj magnetic (inductanța mutuală): -Flux total: -Flux de dispersie (de scăpări), inductanța de scăpări:

2 Circuitul perturbator (1) este parcurs de un curent mare care creează un câmp magnetic important. Din relaţia pm(t) = -M12 i2(t) / t în complex: Up= -M j I2 ceea ce arată dependenţa tensiunii în circuitul perturbat de curentul din circuitul perturbator. Cuplajul inductiv apare atunci când tensiuni sau curenţi sunt induşi în circuitele dipozitivului susceptibil de câmpuri electrice sau magnetice locale sau de combinaţii ale acestora provenind de la sursă. În unele situaţii poate fi asemănat cu un cuplaj produs de unde electromagnetice în zona de câmp apropiat. Sursele de interferenţe electromagnetice pot fi de origine naturală (atmosferă, cosmos, zgomot termic) sau create de om. Cele din prima categorie trebuie privite ca fenomene inevitabile, pe când ultimele pot fi controlate printr-o utilizare corespunzătoare a spectrului electromagnetic şi o limitare locală a surselor de producere a energiei electromagnetice. Deoarece interferenţele electromagnetice sunt fie inerente producerii şi utilizării undelor electromagnetice în scopul considerat, fie de natură parazită şi nu au nimic comun cu funcţiile primare ale surselor, se face o distincţie între surse funcţionale şi surse nefuncţionale. Sursele funcţionale sunt în special emiţătoarele pentru comunicaţii, care radiază în mod deliberat prin antene de emisie, unde electromagnetice în scopul transmiterii informaţiei. Sursele nefuncţionale sunt instalaţiile de aprindere ale automobilelor, lămpile fluorescente, mijloacele de transport electric, diafonia, fizica plasmei, descărcările corona ş.a. Se poate face o clasificare uşoară şi convenabilă a surselor de interferenţă electromagnetică, în funcţie de dispunerea lor în spectrul de frecvenţă, altfel spus, după spectrul de frecvenţă emis de ele. Se deosebesc : - surse de bandă îngustă - surse de bandă largă.

3 B. Apariţia şi efectele cuplajului inductive Într-un circuit cu aria A, intersectat de fluxul variabil în timp ф, se induce o t.e.m. - Dacă inductia prezintă o variație armonică, A=const -Dacă bucla este cuplată prin inductanţa mutuală M cu un circuit parcurs de curentul I 1 Se consideră două circuite cuplate parazit inductiv prin inductanţa mutuală M, ca în figură. Circuitul (1), perturbator, este parcurs de un curent armonic iar circuitul (2) este perturbat. Circuitele se consideră imobile, deci inductanţa mutuală M = const.

4 -Cuplajul inductiv este de mod diferențial -Tensiunile perturbatoare nu se reduc prin reducerea rezistenței totale a circuitului perturbat -Tensiunile pe R si RS sunt in antifaza. C. Dependenţa geometrică a cuplajului inductiv Inducţia câmpului magnetic al unui circuit egal încărcat pe liniile de ducere şi întoarcere este cu două ordine de mărime mai mic şi reducerea este mai rapidă faţă de linia simplă. Masuri antiperturbative în cazul cuplajului inductiv: - Micșorarea lui M prin porțiuni paralele ale conductoarelor, cât mai scurte - Dispunerea perpendiculară a circuitelor - Mărirea distanței între circuite

5 -Utilizarea unui conductor de reducere a cuplajului - Micșorarea ariei circuitelor - prinapropierea conductoarelor - prin torsadare - utilizând cabluri coaxiale - Ecranarea sistemului perturbat. Conductorul de reducere formează o buclă în scurtcircuit al carei câmp magnetic poate compensa parțial câmpul magnetic perturbator. Transferul inductiv are loc prin intermediul câmpului magnetic, un exemplu relevant fiind acela al transformatoarelor electrice de tensiune sau curent. Pentru aplicaţiile tipice de transfer al energiei fără contact se pretează însă structuri cu miez magnetic deschis sau fără miez. Expunem principiul de funcţionare al unei astfel de structuri, în care bobina emiţător cu N 1 spire şi bobina receptor cu N 2 spire au forme solenoidale şi sunt dispuse coaxial (fig. a), având lungimi sensibil mai mari decât diametrele ( I 1 >> D 1, I 2 >> D 2 ). În acest caz particular câmpurile magnetice proprii ale celor două bobine pot fi considerate uniforme; pentru ca şi câmpul mutual să fie uniform vom considera că bobina-receptor este amplasată în interiorul bobinei indus (fig. b), astfel încât analiza bazată pe calcul analitic devine simplă şi sugestivă. La alimentarea bobinei-emiţător cu un curent variabil în timp i 1, în spaţiul din vecinătate apare un câmp magnetic care, la rândul său, determină un flux magnetic prin spirele bobinei-receptor. Ca efect, la bornele bobineireceptor apare o tensiune care alimentează rezistenţa de sarcină R. Intensitatea câmpului magnetic propriu al bobinei-emiţător se poate determina aplicând legea circuitului magnetic pentru curba închisă Γ 1 care delimitează suprafaţa S Γ1 (fig. a) şi urmăreşte axa bobinei, închizându-se prin exteriorul ei pe un traseu arbitrar.

6 În ipoteza enunţată, respectiv a câmpului magnetic uniform în interiorul bobinei cu neglijarea câmpului din exteriorul ei, se calculează mărimile de stare locale ale câmpului din interiorul acestei bobine: Fluxul magnetic propriu şi inductanţa proprie a bobinei se calculează simplu: (1) (2) Similar se calculează inductanţa proprie a bobinei-receptor, ignorând prezenţa bobinei-emiţător: (3) Fluxul magnetic prin suprafaţa delimitată de spirele bobinei-receptor (fluxul mutual), în ipoteza ilustrată în fig. b, precum şi inductanţa mutuală, sunt: (4) Tensiunea electromotoare indusă în bobina-receptor, egală cu tensiunea la borne la funcţionarea în gol, se calculează aplicând legea inducţiei electromagnetice pe o curba închisă Γ 2 care urmăreşte spirele acesteia şi se închide prin exterior, între borne (nereprezentată în figura de mai sus): (5) Dacă aceasta are sensul lui v 2 din fig. a, în prezenţa sarcinii apare curentul i 2 cu sensul din figură; acesta, la rândul său, provoacă apariţia unui câmp magnetic propriu al bobinei-receptor,

7 cu fluxul propriu Φ 2 dat de (3). Făcând abstracţie de prezenţa bobinei-emiţător, acest flux determină tensiunea la borne: (6) cu sens opus faţă de v 20. Prin compunere, rezultă tensiunea la bornele bobinei-receptor la funcţionarea în sarcină: (7) Similar se poate exprima tensiunea la bornele bobinei-emiţător. Cu sensurile din figură, rezultă: La funcţionarea în regim armonic, când bobina-emiţător este alimentată cu tensiunea, cu imaginea complex relaţiile (6), (7) devin: Ţinând seama de relaţia evidentă V 2 = R I 2 şi introducând coeficientul de cuplaj k=m/ L 1 L 2, de aici se calculează curenţii şi impedanţa de intrare Z 1 =V 1 /I 1 : (8) Puterile absorbite de la sursă sunt: Din ultima expresie se observă că puterea reactivă este semnificativă, având valoarea minimă Q 1min =V 1 2 /ωl pentru valorile extreme ale coeficientului de cuplaj ( k = 0 şi k = 1 ). Ca urmare, componenta reactivă a curentului provoacă pierderi importante pe rezistenţele circuitului de intrare, care includ rezistenţa bobinei-emiţător şi rezistenţa internă a sursei, reducând randamentul transferului de energie către sarcină. Soluţia de a asigura condiţiile de funcţionare în regim de rezonanţă atât pentru circuitul emiţător, cât şi pentru cel receptor, conduce la minimizarea puterii reactive absorbite de la sursă şi creşterea randamentului. Exemplificăm pentru o schemă de tip rezonanţă serie-serie (fig. a), unde cele două capacităţi sunt alese încât asigură rezonanţa de tensiune la aceeaşi frecvenţă pentru circuitul

8 emiţător şi circuitul receptor. În acest caz, pentru aplicaţia numerică L1 = L2 = 98.8µH, C1 = C2 = 7.91nF, R1 = 5Ω, R = 10Ω şi un coeficient de cuplaj k = 0.1, se obţine la frecvenţa de rezonanţă f 0 = kHz un randament de 72%, dependenţa randamentului de transfer în raport cu frecvenţa, obţinută prin simulare numerică, fiind reprezentată în fig. b (curba 3) alături de puterea absorbită de sarcină (curba 1) şi puterea activă debitată de sursă (curba 2). Deşi puterea transferată sarcinii nu are valoarea maximă la frecvenţa de rezonanţă, se constată că pentru valoarea ei maximă, mai mare cu 15% faţă de puterea la rezonanţă, puterea absorbită de la sursă creşte cu 40%, ceea ce înrăutăţeşte sensibil randamentul de transfer. D. Domenii de utilizare și realizări experimentale Sistemele de transfer al energiei îşi dovedesc utilitatea în domenii cu o dinamică accelerată în ultimul timp, cum sunt sistemele de încărcare a bateriilor vehiculelor electrice şi hibride în mişcare sau în staţionare, sistemele pentru încărcarea bateriilor la produse electronice de larg consum (telefoane mobile, sisteme de calcul, tablete, alte terminale mobile), aplicaţii în medii cu pericol de explozie, aplicaţii în robotică, alimentarea cu energie a micilor comunităţi lipsite de infrastructură clasică de distribuţie a energiei electrice, alimentarea aparaturii medicale implantate. Un avantaj important al sistemelor de transmisie a energiei fără contact este şi faptul că pot fi combinate, cu costuri minime, cu transmisia de date. În figura de mai jos se prezintă structura unui sistem complex pentru încărcarea bateriilor vehiculelor electrice, în care transferul de energie este combinat cu transferul de date atât pentru conducerea procesului de

9 încărcare, cât şi pentru poziţionarea automată a vehiculului pentru transfer de putere cu randament maxim. Transferul de energie se realizează între circuitul emiţător (2) sau staţia de bază şi circuitul receptor (3) sau staţia mobilă (îmbarcată pe vehicul) separate de o distanţă variabilă (d) dată de garda la sol. Transferul este de tip inductiv, puterea transmisă sarcinii (5) este de ordinul kw şi asigură încărcarea într-un timp similar cu sistemele cu cuplaj galvanic. Convertorul static de frecvenţă variabilă (1) are o construcţie originală, de tip autoadaptiv, pentru a asigura, pe de o parte, condiţiile de rezonanţă ale circuitelor emiţător şi receptor, iar pe de altă parte să compenseze automat dezacordul provocat de sarcina variabilă. Convertorul (4) asigură încărcarea bateriei de acumulatoare indiferent de starea acesteia, într-un regim optim. Starea şi regimul de încărcare a bateriei sunt monitorizate şi informaţia despre acestea este transmisă printr-o cale de comunicaţie wireless (7) către blocul de monitorizare şi comandă (6) care asigură comanda convertoarelor (1) şi (4) în aşa fel încât randamentul de transfer global al sistemului să fie maxim indiferent de starea bateriei, iar factorul de putere în punctul de alimentare de la reţea să fie unitar. Construcţia şi poziţia relativă a bobinelor emiţător şi receptor sunt elemente foarte importante pentru performanţa energetică a sistemului. În figura următoare se prezintă modele experimentale ale unor bobine de tip planar, realizate cu conductor liţat, al căror gabarit nu reduce sensibil garda la sol a vehiculului.

10 Pentru validarea rezultatelor cercetărilor teoretice şi studiul influenţei poziţiei relative a perechii de bobine într-un domeniu larg de frecvenţe, s-a realizat platforma experimentală prezentată în fig. a, care permite deplasări controlabile pe cele trei axe. Platforma experimentală permite montarea unor concentratoare de câmp magnetic realizate din plăci de ferită pentru înaltă frecvenţă în scopul îmbunătăţirii cuplajului magnetic (fig. b) şi diminuării influenţei câmpurilor magnetice de dispersie.

11 În zilele noastre, încărcarea wireless este generalizată în cazul unor smartphone-uri, a periuțelor de dinți electrice sau a altor aparate electrocasnice. Există firme care propun și dispozitive de încărcare wireless pentru bateriile mașinilor electrice, însă acest domeniu este deabia la început din punct de vedere business. În principiu, transmiterea curentului la distanță fără cabluri presupune niște limitări relativ greu de surmontat. Momentan, orice dispozitiv de acest fel funcționează dacă distanța între încărcător și baterie este foarte mică (de maximum câțiva centimetri). Dar și dacă alinierea între dispozitivele de transmitere, respectiv de receptare a curentului este cât mai exactă. În plus, eficiența nu este considerată suficient de bună, în multe cazuri. Principiul de bază al inducției electromagnetice Un câmp magnetic poate produce energie electrică, iar un cablu prin care trece curent electric produce, la rândul său, un câmp magnetic. Inducția electromagnetică ajută la transferarea energiei electrice dintr-un loc în altul, fără a utiliza cabluri, ci doar folosind proprietatea naturală de transformare a câmpului electric în câmp magnetic și viceversa.

12 Aplicând principiul în domeniul auto, înseamnă că e nevoie de două bobine de inducție:una plasată în podeaua garajului sau în asfalt, pe locul de parcare, iar cealaltă plasată sub mașină. Când cele două bobine sunt aliniate, curentul care trece prin prima dă naștere unui câmp magnetic. Acesta, odată intrat în contact cu a doua bobină, creează curent electric în aceasta, curent care este utilizat pentru încărcarea bateriei. Cu cât cele două bobine sunt mai apropiate și mai bine aliniate, cu atât eficiența este mai bună în teorie, se poate ajunge la transmiterea a până la 90% din energie spre baterie. În practică, însă, intervin pierderile din cauza distanței mari dintre bobine, dar și din cauza căldurii rezultate din proces. Apoi timpii de încărcare a bateriei sunt mult mai mari, deoarece aceste sisteme utilizează puteri mici (în primul rând pentru a evita degajarea unor cantități prea mari de căldură). Încărcarea wireless rapidă Următorul pas logic urmărit de cei implicați în acest domeniu este de a asigura încărcarea rapidă a bateriilor. Actualmente, încărcarea bateriilor mașinilor electrice de la o sursă normală de V durează circa 8 ore, în majoritatea cazurilor mașinile fiind încărcate noaptea, acasă. Însă în utilizarea cotidiană este mult mai practic pentru un utilizator de mașină electrică să-și poată încărca bateria cât mai repede când este la cumpărături sau când are de parcurs distanțe mai lungi. Deci încărcătoarele de mare putere sunt foarte importante pentru asigurarea infrastructurii publice de alimentare. Compania Momentum Dynamics face acest pas, propunând un sistem wireless capabil să transmită puteri de până la 25 kw. Ceea ce înseamnă că bateria unei mașini electrice obișnuite se poate încărca 100% în circa o oră și jumătate în condițiile în care, utilizând un sistem convențional de încărcare rapidă, timpul respectiv este între 30 și 60 de minute. Mai mult, dacă în cazul sistemelor de încărcare wireless actuale distanța optimă între cele două bobine trebuie să fie de circa 10 cm (mergând până la 15 cm, dar cu scăderea drastică a eficienței), cei de la

13 Momentum Dynamics susțin că sistemul lor permite distanțe de lucru de până la 30 cm, fără ca eficiența să scadă dramatic. În plus, au conceput sistemul și pentru a funcționa în situații foarte dificile, chiar și subacvatic. Încărcarea wireless pentru transportul în comun Cu toate că reflectoarele în domeniul încărcării wireless sunt concentrate pe autoturismele electrice, adevărul este că avantajele majore imediate le-ar aduce aplicarea acestei tehnologii în cazul transportului în comun. În 2012, Universitatea de Stat din Utah a realizat un autobuz electric având încărcare wireless, prototip dedicat transportului studenților prin campus. Botezat Aggie Bus, era primul din lume care satisfăcea mai multe cerințe: putere de încărcare de 25 kw, eficiență de 90% și o abatere maximă de 15 cm pentru alinierea celor două bobine. De atunci, lucrurile au evoluat vertiginos, iar chinezii de la ZTE au lansat în 2014 primul proiect fezabil: o rută pentru autobuze electrice având încărcare wireless, în Xiangyang, Hubei. Trei vehicule realizate de Dongfeng Automobile a fost dotate cu sisteme de încărcare wireless, variind între 3 kw și 30 kw, eficiența fiind de 90%. În anumite stații de pe traseu au fost îngropate în asfalt platformele de încărcare wireless, unde autobuzele puteau fi încărcate rapid, în timp ce pasagerii coborau și urcau. În prima jumătate a lui 2015, ZTE a realizat astfel de programe-pilot în nu mai puțin de 6 orașe importante din China, până la finalul anului fiind încheiate parteneriate cu autoritățile din încă 21 de localități. Exemplul chinezilor va fi preluat din 2016 și de Londra, care va demara un program similar: în stațiile de la capătul fiecărei linii vor fi montate sisteme de încărcare wireless, care vor încărca rapid bateriile autobuzelor double-decker, în doar 5 minute. Încărcarea wireless în mers Faptul că mașinile pot fi încărcate wireless în timp ce sunt parcate este un avantaj minor față de oportunitățile pe care le are încărcarea wireless. Și anume încărcarea bateriilor în timp ce

14 mergi cu mașina. În vara anului 2013, în localitatea sud-coreeană Gumi a fost inaugurată prima rută pentru autobuze cu încărcare wireless în timpul mersului. Pe traseul cu o lungime de 12 km au fost integrate subteran cablurile de alimentare cu energie electrică, invertoare și regulatoare, precum și patru sisteme de încărcare dinamică wireless, alături de trei sisteme pentru încărcarea wireless staționară. Important de menționat este că aceste module de încărcare wireless utilizează tehnologia câmpurilor magnetice în rezonanță, nu cea inductivă clasică. Astfel, se obține o putere mare de încărcare în timpul scurt în care autobuzul trece peste un încărcător wireless dinamic. Motorul autobuzului este alimentat de la o baterie principală, care, încărcată 100%, îi poate asigura vehiculului o autonomie maximă de circa 58 km. Însă bateria principală este permanent încărcată de la o baterie secundară, concepută special pentru a înmagazina energia primită în timpul mersului, sistemele de încărcare wireless dinamică putând genera până la 180 kw la 60 KHz (o putere foarte mare într-un timp foarte scurt, care ar putea afecta durata de viață a bateriei principale).

15 Coeficientul de utilizare a maşinilor electrice Coeficientul de utilizare a maşinilor electrice se defineşte prin relaţia: C= S i D 2 l i n [J/dm3 ], De unde se mai poate scrie: D 2 l i = S i Cn [dm3 ]. Semnificaţia fizică a coeficientului de utilizare rezultă din aceeaşi relaţie de mai sus, considerând D 2 l i =1 şi n=1 şi anume: coeficientul de utiliare reprezintă puterea electromagnetică (interioară) obţinută pe unitatea de volum a materialelor active şi pe unitatea de agent de interacţiune. C= S i D 2 l i n =k iπ 2 AB δ, Unde : B δ este amplitudinea inducţiei magnetice din întrefier k i este factorul delimitat de paranteze A este o pătură de current S i puterea interioară După cum se vede, pentru obţinerea unui coefficient de utiliyare mare, trebuie mărite solicitările electromagnetice. Rezultă deci că atenţia proiectanţilor este îndreptată spre posibilităţile creşterii permanente a solicitărilor electromagnetice. Dar anumiţi factori, dintre care cei legaţi de obţinerea unor caracteristici tehnico+economice superiare şi mai ales de limitele impuse încălzirii înfăşurărilor, limitează valorile acestora. De aceea, valorile coeficientului de utiliare se stabilesc pe baya experienţei de fabricaţie. Având valoarea coeficientului de utilizare se poate determina volumul materialelor active şi în continuare dimensiunile principale ale maşinilor electrice. În orice maşină electrică, în timpul funcţionării, are loc un process de transformare a energiei din mecanică în electrică (eletromagnetică) dacă este generator şi invers, dacă este motor. În cazul transformatorului energia este de acelaşi fel (electrică) schimbându-se numai valorile mărimilor care o caracterizează (tensiune şi curent).

16 content/uploads/sisteme_electrice/cursuri_sisteme_electrice/curs%20- %20Calculul%20numeric%20al%20masinilor%20electrice.pdf